ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МОНИТОРИНГЕ …code calculating...

MODERN HIGH TECHNOLOGIES № 10, 2016

62 TECHNICAL SCIENCES (05.02.00, 05.13.00, 05.17.00, 05.23.00)

УДК 004.631.6: 004.626 ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МОНИТОРИНГЕ

БОГАРНЫХ И ОРОШАЕМЫХ АГРОЦЕНОЗОВЗейлигер А.М., Ермолаева О.С.

ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет – Московская сельскохозяйственная академия имени К.А. Тимирязева»,

Москва, e-mail: [email protected], [email protected]

Рассмотрены вопросы применения информационных технологий для оценки площадных значений эвапотранспирации агроценозов по данным тепловой аэрокосмической съемки поверхности суши и на-земных точечных метеорологических наблюдений. Для расчета пространственно-распределенных потоков эвапотранспирации в программной геоинформационной среде ILWIS составлен компьютерный код расчета. Этот код, основанный на модели энергетического баланса подстилающего слоя SEBS, был использован для расчета растров суточной эвапотранспирации за период май – август 2012 г. по территории Приволжской оросительной системы, расположенной в Марксовском районе Саратовской области. Для проведения рас-четов были использованы данные спектрорадиометра MODIS и наземных метеорологических наблюдений на метеостанции г. Маркса. Анализ последовательных картограмм площадных агрегированных значений эвапотранспирации на экстенте проведения расчетов выявил закономерности одновременного формирова-ния потоков эвапотранспирации на рядом расположенных богарных и орошаемых агроценозах в периоды, следующие за выпадением дождевых осадков, а также в засушливые периоды вегетации. Разработанный код может быть использован для оценки эффективности использования водных и земельных ресурсов при орошении посевов сельскохозяйственных культур.

Ключевые слова: информационные технологии, обработка данных, дистанционное зондирование Земли, эвапотранспирация, SEBS, MODIS

INFORMATION TECHNOLOGIES IN RAIN-FED AND IRRIGATED AGROCOENOSIS MONITORING

Zeyliger A.M., Ermolaeva O.S.Federal Public Budgetary Educational Institution of the Higher Education Russian State Agrarian

University – Moscow Timiryazev Agricultural Academy, Moscow, e-mail: [email protected], [email protected]

Questions of information technology application to assess areal values of evapotranspiration of agrocoenosis in the base of both thermal remote sensing of land surface and ground meteorological data are considered. Computer code calculating daily space &-temporal evapotranspiration fl uxes was developed in ILWIS geoinformation environment. This code based on SEBS model of energy balance of underlaying layer was used to calculate raster of daily evapotranspiration fl uxes for May – August time period for territory of Pryvolghskaya Irrigation System situated at Marks District of Saratov Region. Data of spectroradiometer MODIS and weather monitoring at Marks meteorological station was used for evapotranspiration calculation. Carried-out analysis of the followed cartogram of areal evapotranspiration fl uxes values at extent of realized calculation showed up some consistent patterns of simultaneous development of evapotranspiration fl uxes at neighboring rain-fed and irrigated agrocoenosis at time period following the rain events and during drought season of vegetation. Developed cod may be used to assess effectiveness of water and land resources using for agricultural crop irrigation.

Keywords: information technologies, data processing, remote sensing of The Earth, evapotranspiration, SEBS, MODIS

С физической точки зрения эвапотран-спирация представляет собой процесс пере-хода воды из жидкой фазы в газообразную. В рамках круговорота воды на Земле этот процесс участвует в переносе воды с зем-ной поверхности в атмосферу. Одними из важных продуцентов водяного пара на суше являются агроценозы, на которых выра-щиваются посевы сельскохозяйственных культур. Применяемые при этом агротехни-ческие и мелиоративные методы и приемы направлены на создание оптимальных ус-ловий, необходимых для получения высо-ких и устойчивых урожаев. В повседневной практике для их планирования, реализации

и контроля используются данные точечных наземных наблюдений и обследований, ко-торые зачастую не репрезентативны.

В последние десятилетия, техноло-гии дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) используются в научных и техноло-гических исследованиях для мониторинга природных и антропогенных процессов [12, 14, 18], а также для контроля параме-тров агроценозов [13, 19]. Для этого рас-считываются картограммы биофизических показателей роста и развития посевов, ко-торые используются в системах поддержки принятия решений при управлении ороше-нием [19], мониторинге биофизических

СОВРЕМЕННЫЕ НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ № 10, 2016

63 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ (05.02.00, 05.13.00, 05.17.00, 05.23.00)

показателей роста и развития посевов [4, 7], а также оценки их урожайности [4, 11, 19].

Одним из значимых параметров, от-ражающих рост и развитие посевов сель-скохозяйственных культур, является их эвапотранспирация. В противоположность многочисленным традиционным методам точечной оценки эвапотранспирации в насто-ящей работе использована методика, основан-ная на данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и данных метеорологических на-блюдений [7]. Получаемые по этим данным временные картографические ряды эвапо-транспирации позволяют оценивать водопо-требление и его дефицит в границах посева, а также его отдельных контуров. Это открыва-ет возможность применения инновационных технологий орошения, позволяющих полу-чать высокие и устойчивые урожаи в полив-ном земледелии, а также эффективно исполь-зовать земельные и водные ресурсы.

Методы оценки эвапотранспирации по уравнению энергетического баланса

Для оценки эвапотранспирации по дан-ным ДЗЗ ранее были разработаны методы SEBS [16] и SEBAL [2–4], основанные на решении уравнения энергетического балан-са подстилающего слоя SEB. В этих мето-дах для расчета эвапотранспирации исполь-зуется ряд таких дистанционно измеряемых параметров, как альбедо, температура под-стилающего слоя, удельная площадь листо-вой поверхности, нормализованный диф-ференцированный вегетационный индекс, а также данные наземных метеорологиче-ских наблюдений. В работе [8] приведены результаты анализа достоинств и недостат-ков указанных выше методов оценки эвапо-транспирации по данным ДЗЗ. В результате был сделан вывод, что среди них нет уни-версального метода, который мог бы быть использован без соответствующей локали-зации к местным почвенно-климатическим условиям, а также применяемым техноло-гиям ведения поливного земледелия. Так, проведенные в Зимбабве [13] исследования продемонстрировали высокий потенциал использования метода SEBS для оценки эва-потранспирации посевов кукурузы. Анало-гичные исследования, проведенные в ЮАР [6], Китае [3, 17] и Иране [10], продемон-стрировали, что порядка 85 % результатов, полученных по методу SEBAL, воспро-изводят данные полевых экспериментов. Результаты исследований, проведенных в Испании на взвешиваемых лизиметрах [11], показали, что метод SEBAL дает удов-

летворительные результаты для люцерны и пшеницы. Аналогичные исследования на взвешиваемых лизиметрах на северо-вос-токе Китая [9] показали, что метод SEBS, использованный для оценки эвапотран-спирации по данным MODIS/Terra хорошо воспроизводят экспериментальные данные, а также, что расхождения эксперименталь-ных данных по эвапотранспирации c оце-ненными по модели SEBS лежат в пределах 10–15 % [15]. В свою очередь исследования, проведенные в Иране на орошаемых сель-скохозяйственных угодьях ряда поливных культур [1], продемонстрировали совпаде-ние оценок эвапотранспирации с полевыми данными. Результаты исследований, про-веденных на опытной станции USDA ARS Bushland в Техасе [5], показали, что макси-мальные расхождения значений суточной эвапотранспирации, измеренной на больших взвешиваемых лизиметрах и эвапотран-спирации, рассчитанной методом SEBAL по данным тепловой съемки с беспилотной платформы, не превышает 11 %.

Компьютерный код расчета растров суточной эвапотранспирации

по методу SEBS с использованием данных спектрорадиометра MODIS Для оперативного управления орошени-

ем посевами сельскохозяйственных культур требуются ряды данных потока суточной эвапотранспирации. Данные спектрора-диометров MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer), размещенных на космических платформах Terra (1999) и Aqua (2002), являются наиболее подхо-дящими для этих целей. Периодичность съемки территорий южных и централь-ных районов России, где ведется ороше-ние, лежит в пределах от 2-х до 4-х раз в сутки. При незначительной облачности в моменты съемки этих данных вполне достаточно для проведения расчетов су-точной эвапотранспирации.

Для практического использования данных MODIS разработаны и регулярно совершен-ствуются алгоритмы обработки первичных данных съемки. На основе обработанных дан-ных формируется ряд тематических данных более высокого уровня обработки. Одним из них является продукт MOD16, рассчитыва-емый по модели SEBS и представляющий собой 8-суточный растр потоков эвапотран-спирации с поверхности суши. Однако зна-чительный интервал осреднения не позволяет использовать этот продукт для целей опера-тивного управления орошением [19].



Картограммы

рассчитанных

7,5-суточных объемов эвапотранспирации за

период май ‒ август

201

2 г. для территории

1-й

очереди

Приволжской

ОС

(Марксовский

район

, Саратовская

область)

СОВРЕМЕННЫЕ НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ № 10, 2016

65 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ (05.02.00, 05.13.00, 05.17.00, 05.23.00)

Для расчета суточных растров потоков эвапотранспирации по данным первого уровня обработки в геоинформационной среде ILWIS на основе метода SEBS [8] был разработан компьютерный код. На рисунке представлена серия картограмм в виде агрегированных (7,5 сут) потоков эвапотранспирации, рассчитанных по разработанному коду для части террито-рии Марксовского района Саратовской области за период 01.05 ‒ 31.08.2012.

Качественный анализ картограмм эвапотранспирации

Пространственный экстент представ-ленных на рисунке картограмм включает р. Волгу, населенные пункты и приуса-дебные хозяйства, дорожно-транспорт-ную сеть, а также земли богарного и оро-шаемого земледелия. Там же линиями показана трасса магистрального канала 1-й очереди Приволжской оросительной системы, а овалами показаны контуры, полей, орошение на которых ведется до-ждевальными машинами кругового дей-ствия. Цветовое отображение значений эвапотранспирации основано на единой классификации. С помощью единой клас-сификации прослеживается простран-ственно-временная зависимость эвапо-транспирации от метеорологических условий, роста и развития растительного покрова, орошения, а также запасов влаги в корнеобитаемом слое почвы. В резуль-тате наложения слоя эвапотранспирации на слой контуров орошаемых полей от-мечается совпадение контуров наиболь-ших значений эвапотранспирации в по-ливной период с расположением этих полей. Аналогично (для середины июня, всего июля и первой половины августа) прослеживаются контуры с низкими зна-чениями эвапотранспирации, располо-женные в центральной части картограмм, между орошаемыми землями. Эти кон-туры расположены на землях богарного земледелия, а также деградированных землях, и по этой причине выведенных из сельскохозяйственного оборота. Де-градация этих земель была вызвана неэф-фективным орошением, которое вызвало подъем минерализованных грунтовых вод, повлекший за собой засоление и осо-лонцевание почвенно-грунтовой толщи. Значения потоков эвапотранспирации на этих землях последовательно снижаются с середины мая после выпадения обиль-ных осадков, вплоть до середины августа,

когда снова выпали обильные осадки. Между этими эпизодами на картограммах прослеживается некоторое увеличение эвапотранспирации после выпадения не-больших по объему осадков в конце июня и середине июля.

ЗаключениеРазработанный компьютерный код

оценки эвапотранспирации агроценозов основан на методе SEBS и использовании данных наземного метеорологического мониторинга и данных первичной обра-ботки изображений, получаемых со спек-трорадиометра MODIS.

Тестирование разработанного ком-пьютерного кода было реализовано на примере части территории Марксов-ского р-на Саратовской обл., где распо-ложены богарные и орошаемые земли. Поливная вода на последние подается из магистрального канала 1-й очереди Приволжской оросительной системы. Полученные результаты свидетельству-ют о чувствительности модели SEBS для оценки потоков эвапотранспирации аго-ценозов в виде:

а) увеличения их интенсивности при пополнении запасов влаги корнеоби-таемого слоя почвы после выпадения осадков;

б) снижения их интенсивности по мере расходования запасов влаги корнео-битаемого слоя почвы;

в) поддержания их высоких интенсив-ностей в засушливый период на полях, где пополнение запасов влаги корнеоби-таемого слоя почвы осуществлялось ис-кусственным орошением.

Разработанный компьютерный код может быть использован в системах под-держки принятия решений для оценки эффективности использования земель-ных и водных ресурсов в орошаемом земледелии.

Авторы выражают благодарность РФФИ (грант № 16-05-01097 А) за фи-нансовую поддержку проведенного иссле-дования.

Список литературы1. Bahman Farhadi Bansouleh, Ali Reza Karimi and

Homayoun Hesadi Evaluation of SEBAL and SEBS Algorithms in the Estimation of Maize Evapotranspiration // International Journal of Plant & Soil Science – 2015. – Vol. 6. – № 6. – P. 350–358.

2. Bastiaanssen W.G.M., Menenti M., Feddes R.A., Holtslag A.A.M., The Surface Energy Balance Algorithm for Land (SEBAL): Part 1 formulation // J. Hydrol. – 1998. – Vol. 212–213. – P. 198–212.



3. Bastiaanssen W.G.M., Pelgrum H., Wang J., Ma Y., Moreno J., Roerink G.J., and van der Wal T. The Surface Energy Balance Algorithm for Land (SeBAL): Part 2 validation // J. Hy-drol. – 1998. – Vol. 212–213. – P. 213–229.

4. Bastiaanssen W.G.M., Noordman E.J.M., Pelgrum H., Davids G, Thoreson B.P., and Allen, R.G., SEBAL model with remotely sensed data to improve water resources management under actual fi eld conditions // J. Irrig. and Drain. Eng. – 2005. – Vol. 131. – № 1. 85–93.

5. Elhaddad A, Garcia A, Chavez JL. Using a surface ener-gy balance model to calculate spatially distributed actual evapo-transpiration // Journal of Irrigation and Drainage Engineering. 2011. – Vol. 137. – № 1. – Р. 17–26.

6. Gibson L., Jarmain C., Su Z., Eckardt F. Review: Esti-mating evapotranspiration using remote sensing and the Surface Energy Balance System–A South African perspective // Water SA. – 2013. – Vol. 39. – № 4. – P. 477–484.

7. Jackson R., Reginato R. and Idso S.B. Wheat canopy temperature: a practical tool for evaluating water requirements // Water Resources Research. – 1977. – Vol. 13. – Р. 651–656.

8. Li Z-L, Tang R, Wan Z, Bi Y, Zhou C, Tang B, et al. A review of current methodologies for regional evapotranspira-tion estimation from remotely sensed data // Sensors. – 2009. – Vol. 9. – № 5. – Р. 3801–3853.

9. Lin W., van de Velde R., Su Z. Satellite based regional scale evapotranspiration in the Hebei Plain, Northeastern Chi-na // Proceedings of Dragon. – 2006. – Vol. 1. – P. 2004–2007.

10. Muthuwatta L., Ahmad M.D., Bos M., Rientjes T.H.M. Assessment of water availability and consumption in the Karkheh River basin, Iran using remote sensing and geostatistics // Water Resources Management. – 2010. – Vol. 24. – № 3. – P. 459–484.

11. Ramos J.G., Cratchley C.R., Kay J., Casterad M.A., Martínez-Cob A., and Dominguez R., Evaluation of satellite evapotranspiration estimates using ground-meteorological data available for the Flumen District into the Ebro Valley of NE Spain // Agricultural water management. – 2009. – Vol. 96. – № 4. – P. 638–652.

12. Oberg JW, Melesss AM. Evapotranspiration dynamics at an ecohydrological restoration site: An energy balance and re-mote sensing approach.JAWRA // Journal of the American Water Resources Association. – 2006. – Vol. 42. – № 3. – P. 565–582.

13. Rwasoka DT, Gumindoga W, Gwenzi J, Estimation of actual evapotranspiration using the surface energy balance system (SEBS) algorithm in the Upper Manyame catchment in Zimbabwe // Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C. – 2011. – Vol. 36. – № 14–15. – P. 736–746.

14. Startseva, Z., Muzylev, E., Volkova, E., Uspensky, A., Uspensky, S. Water and heat regimes modelling for a vast ter-ritory using remote-sensing data // Int. J. Rem. Sens. – 2014. – Vol. 35. – № 15. – P. 5775–5799.

15. Su H, McCabe M, Wood E, Su Z, Prueger J. Modeling evapotranspiration during SMACEX: Comparing two approach-es for local-and regional-scale prediction // Journal of Hydrome-teorology. – 2005. – Vol. 6. – № 6. – P. 910–922.

16. Su Z The Surface Energy Balance System (SEBS) for estimation of turbulent heat fl uxes// Hydrol Earth Syst Sci. – 2002. – Vol. 6. – № 1. – P. 85–99.

17. Tang R., Li Z.L., Jia Y., Li C., Sun X., Kustas W.P. An intercomparison of three remote sensing-based energy balance models using Large Aperture Scintillometer measurements over a wheat–corn production region // Remote Sensing of Environ-ment. – 2011. – Vol. 115. – № 12. – P. 3187–3202.

18. Zeiliguer A.M., Ermolaeva O.S., Krichevtsova A.N. The results of the spatial-temporal analysis of remote sensing data sets by evaporation from the earth’s land surface MOD16 ET for 2000–2009 for the territory Pallasovsky district of the Volgograd region of the Russian Federation // In: Ecology econ-omy informatics geoinformation technologies and space moni-toring. – Rostov on Don: Southern federal university Publishers. 2015. – Vol. 1–3/Vol. 3. – Р. 35–47.

19. Zeyliger A.M., Ermolaeva O.S. SEBAL Model Using to Estimate Irrigation Water Effi ciency & Water Requirement of Alfalfa Crop // sb. st. EGU General Assembly. Vienna, Austria. 07–12 April. – 2013. – Vol. 15. – P. 12671.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МОНИТОРИНГЕ …code calculating...

Documents